虛擬校園漫游系統(tǒng)中的建模與優(yōu)化技術(shù)研究

唐翠芳

（貴州師范大學(xué) 大數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550001）

虛擬校園漫游系統(tǒng)中的建模與優(yōu)化技術(shù)研究

唐翠芳

（貴州師范大學(xué) 大數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550001）

建立虛擬校園漫游系統(tǒng)的基礎(chǔ)是為實(shí)體對(duì)象建立仿真模型。文章選取貴州師范大學(xué)寶山校區(qū)作為實(shí)例對(duì)象，探討了虛擬校園漫游系統(tǒng)之中的多種三維模型的建立方法，具體針對(duì)建筑物、場(chǎng)景中的建筑物、樹木、地面等模型的建立進(jìn)行了論述，并在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析和研究了虛擬校園之中實(shí)時(shí)性優(yōu)化的幾項(xiàng)關(guān)鍵措施。

虛擬校園；漫游系統(tǒng)；建模；優(yōu)化技術(shù)

虛擬校園漫游系統(tǒng)作為校園數(shù)字化工程的一部分，是指利用計(jì)算機(jī)軟硬件去創(chuàng)建具有良好交互能力、能使參與者具有沉浸感、有助于啟發(fā)參與者構(gòu)思的信息環(huán)境。虛擬校園的設(shè)計(jì)與建立能為學(xué)校樹立良好的形象，對(duì)于提高學(xué)校的知名度、宣傳校園文化等方面有著重要的意義。

隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬場(chǎng)景技術(shù)在各領(lǐng)域得到迅速發(fā)展。然而目前大多數(shù)虛擬場(chǎng)景漫游的實(shí)現(xiàn)，都是以昂貴的硬件和大量的人力為條件，從中得到相對(duì)完美的效果。為此，建立一種硬件成本低、簡(jiǎn)單易行、針對(duì)性強(qiáng)的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案顯得非常重要。本文主要以貴州師范大學(xué)寶山校區(qū)作為現(xiàn)實(shí)對(duì)象，通過分析對(duì)比虛擬漫游技術(shù)的研究狀況，結(jié)合實(shí)際情況和現(xiàn)有條件，有針對(duì)性地對(duì)虛擬校園漫游系統(tǒng)中建模與優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行一定的探討。

1 虛擬場(chǎng)景的仿真建模技術(shù)

虛擬校園漫游場(chǎng)景中建立的各種模型是對(duì)校園中各種實(shí)際物體形狀的重建，利用三維軟件設(shè)計(jì)出各種虛擬的模型是虛擬校園建設(shè)的基礎(chǔ)和重點(diǎn)，而模型的質(zhì)量又對(duì)校園場(chǎng)景的真實(shí)感和沉浸性又有著直接的影響。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展和相關(guān)研究的不斷深入，其應(yīng)用逐漸普及，與此同時(shí)，用戶對(duì)虛擬場(chǎng)景中三維模型的質(zhì)量要求也不斷提高。為了滿足用戶對(duì)真實(shí)感以及視覺等方面的要求，結(jié)合要?jiǎng)?chuàng)建物體的特點(diǎn)來選擇恰當(dāng)?shù)慕７椒ㄓ葹橹匾完P(guān)鍵。目前虛擬場(chǎng)景建模的方式主要有3種：（1）通過專業(yè)的三維軟件建模建立模型；（2）通過照相機(jī)拍攝的二維原始圖像或使用攝像機(jī)采集連續(xù)的視頻作為基礎(chǔ)資料來建立模型；（3）通過專門的建模語言建模。

本研究主要通過3DS Max的強(qiáng)大建模功能來創(chuàng)建虛擬場(chǎng)景之中主要物體，并對(duì)建筑模型進(jìn)行貼圖處理。雖然3DS Max制作的場(chǎng)景特別精細(xì)，但也同時(shí)存在著大量冗余信息的問題，因此需要在建模時(shí)注意對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理。

2 虛擬校園場(chǎng)景中各種模型的生成

2.1 建筑物模型的建立

首先，要對(duì)實(shí)體校園里標(biāo)志性的建筑物如食堂、圖書館、教學(xué)樓、行政樓、體育館、音樂廳、文科大樓等單獨(dú)建模。在3DS Max中創(chuàng)建建筑模型的主要方法是利用基本幾何體加上貼圖的方式來進(jìn)行的。為了真實(shí)再現(xiàn)建筑物的面貌，需先將數(shù)碼相機(jī)拍攝到的建筑物的外部輪廓平面圖作為參考圖導(dǎo)入到建模軟件的頂視圖中，然后根據(jù)參考圖創(chuàng)建相應(yīng)建筑物的模型，接著利用UV編輯器展出整棟建筑物的UV并作為繪制貼圖的依據(jù)，這樣能保證貼圖不發(fā)生位置偏移，獲得與真實(shí)場(chǎng)一樣的視覺效果。

2.2 場(chǎng)景之中環(huán)境物體的建模

虛擬校園場(chǎng)景中一些典型的小型物體在漫游系統(tǒng)中的作用是不可小瞧的，特別是那些最具特色的環(huán)境物體，不僅可顯現(xiàn)學(xué)校的環(huán)境特征，還能從整體上提升真實(shí)感。典型的路燈、簡(jiǎn)潔的水泥桌、路邊的石座椅、固定位置上的鐵皮垃圾箱（桶）等等，都能讓場(chǎng)景更接地氣，更加真實(shí)。由于這部分環(huán)境物體大多數(shù)近似于中心對(duì)稱，因此可以應(yīng)用Billboard方面的相關(guān)技術(shù)，主要方法是將這些貼圖貼到一個(gè)平面上，使這個(gè)平面一直垂直于攝像機(jī)視線的方向。

2.3 樹木的建模

貴州師范大學(xué)寶山校區(qū)的綠化面積較大，行政樓前以及各條道路兩旁的樹木非常繁茂，環(huán)境寧靜幽雅，對(duì)這些樹木建模是本系統(tǒng)的重要內(nèi)容之一。植物建模一直都是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，繪制出更加真實(shí)的樹木是建立虛擬校園漫游系統(tǒng)的一項(xiàng)重要工作。其中，一種比較流行的方法是用圖像代替樹木模型。將事先處理好的樹木貼圖到貼到新建的一個(gè)面片上，再用透明貼圖的方法隱藏掉樹木以外的地方，然后對(duì)這個(gè)面片旋轉(zhuǎn)90度復(fù)制，方法既簡(jiǎn)單實(shí)用，視覺效果又好。

2.4 地面模型的建立

地形是自然界里最復(fù)雜的景物之一。如何繪制真實(shí)感強(qiáng)的三維地形是圖形學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)之一。采用VRML的Elevation Grid節(jié)點(diǎn)來建立地面模型的方法時(shí)，地表格柵建立的一般法是從選擇一個(gè)平坦的格柵面著手，然后選擇其中一個(gè)格柵點(diǎn)并根據(jù)實(shí)際地形調(diào)整高度，作為山峰的部位要調(diào)高，作為山谷的部位則調(diào)低，照此法繼續(xù)直到建立起層次感豐富、真實(shí)感強(qiáng)的完整的地面模型。

3 VRML場(chǎng)景優(yōu)化策略

網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制是虛擬場(chǎng)景面臨的一個(gè)主要問題。為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度，可通過優(yōu)化建模和提高文件下載速度來解決。對(duì)于Internet上的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)而言，當(dāng)響應(yīng)速度與虛擬場(chǎng)景的真實(shí)感出現(xiàn)沖突時(shí)，在不影響大局、能在視覺上達(dá)到基本真實(shí)的前提下，一般選擇犧牲一定的真實(shí)感來換取速度，具體方法是在保證顯示的質(zhì)量下降不太多、用戶不易察覺的情況下盡量減少每幀所包含的多邊形個(gè)數(shù)。

3.1 限制物體的可見性

這種策略的具體做法是：在VRML中，通過特殊的編輯對(duì)Color與Material這兩種節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，使處于遠(yuǎn)距離的物體的色素值具有較低的值和較簡(jiǎn)單的紋理，待視點(diǎn)接近它們時(shí)再變得明亮一些。同時(shí)，可使用VRML提供的Proximity Sensor節(jié)點(diǎn)來檢測(cè)用戶被感應(yīng)物體的范圍，當(dāng)用戶與物體的距離接近到一定程度并在視覺范圍之內(nèi)時(shí)，才使對(duì)應(yīng)物體可見，否則不對(duì)此物體進(jìn)行渲染。

3.2 采用層次細(xì)節(jié)的模型節(jié)點(diǎn)

對(duì)于同一個(gè)物體來說，當(dāng)距離不同時(shí)，人眼所能看到的細(xì)節(jié)是不一樣的，而且，當(dāng)距離物體越遠(yuǎn)時(shí)，其形狀也會(huì)變得越簡(jiǎn)單。根據(jù)這一視覺特點(diǎn)，層次細(xì)節(jié)模型（Levels of Detail，LOD）技術(shù)可以很好地解決這個(gè)問題。LOD節(jié)點(diǎn)是VRML中一個(gè)比較理想的模型優(yōu)化節(jié)點(diǎn)，在進(jìn)行細(xì)節(jié)層次控制的過程中，其原理主要就是在不同的空間距離上根據(jù)視覺效應(yīng)為每個(gè)物體建立不同細(xì)節(jié)的空間造型，使其距離由遠(yuǎn)及近順次使用自粗糙到細(xì)致的不同模型描述物體，從而減少不必要的模型細(xì)節(jié)，由此來加快模型的繪制速度并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的目標(biāo)。

LOD技術(shù)主要是在最小限度影響畫面感和視覺效果的前提下，通過逐漸簡(jiǎn)化景物的表面細(xì)節(jié)達(dá)來到降低復(fù)雜性的目的。因此，對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究主要側(cè)重于如何建立不同層次的模型和相鄰層次多邊形網(wǎng)絡(luò)之間的過渡兩個(gè)重要方面。

3.3 場(chǎng)景分割組織

一所高校校園就如同一個(gè)小型社區(qū)，真實(shí)場(chǎng)景都比復(fù)雜龐大，場(chǎng)景中的模型也非常之多。當(dāng)場(chǎng)景過大時(shí)把所有的模型都裝在一個(gè)VRML文件里是很困難且不科學(xué)的，這個(gè)文件也會(huì)變得比較大，其實(shí)時(shí)性也會(huì)比較差。為了解決這類問題，可采取場(chǎng)景分割的方法把較大的場(chǎng)景進(jìn)行分割，形成幾塊規(guī)模較小的場(chǎng)景，然后在總的VRML文件中設(shè)置好整個(gè)虛擬空間的背景、大氣效果等各種特性，再用內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)Inline把前面事先分好的小型場(chǎng)景和復(fù)雜的造型引入到該文件中。

4 結(jié)語

在虛擬校園漫游設(shè)計(jì)的過程中，不僅要考慮如何建立真實(shí)逼真的場(chǎng)景模型，還要重視對(duì)場(chǎng)景和模型進(jìn)行優(yōu)化處理。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)環(huán)境用VRML生成大型場(chǎng)景時(shí)，所面臨的主要問題是下載大型場(chǎng)景的速度較慢，用戶的等待時(shí)間過長(zhǎng)。通過上述技術(shù)策略進(jìn)行優(yōu)化處理后，系統(tǒng)中的這個(gè)問題得到了一定的改善，速度比原來提高了1/3。

[1]吳迪，張紹江.虛擬校園漫游系統(tǒng)中的建模與優(yōu)化技術(shù)[J].天津市經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（4）：40-41.

[2]邱有春.虛擬校園場(chǎng)景建模和漫游系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2009.

[3]劉旭東，陳誼.VRML場(chǎng)景優(yōu)化問題研究[J].北京工商大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006（4）：41-44.

[4]王麗.基于Untiy3D的三維虛擬校園漫游仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)教育信息化，2016（9）：60-63.

Research on modeling and optimization of virtual campus roaming system

Tang Cuifang
（Data and Computer Science College of Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China）

Foundation of virtual campus roaming system is to establish the simulation model for entity object. This study selected the Baoshan campus of Guizhou Normal University as an example, discusses the method of establishing three-dimensional model of the virtual campus roaming system, aiming at the scene of the buildings, buildings, trees, building and other ground models are discussed, and then based on which, this paper focuses on the analysis of virtual campus real-time optimization of several key measures.

virtual campus; roaming system; modeling; optimization technology

貴州省科學(xué)技術(shù)廳、貴州師范大學(xué)聯(lián)合科技基金；項(xiàng)目編號(hào)：黔科合J字LKS[2010]31號(hào)。

唐翠芳（1968— ），女，貴州平壩，碩士，教授；研究方向：多媒體技術(shù)，計(jì)算機(jī)輔助教育教學(xué)。